DE2853816A1

DE2853816A1 - Ebenheits-messeinrichtung

Info

Publication number: DE2853816A1
Application number: DE19782853816
Authority: DE
Inventors: Keizo Nishiyama
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1977-12-16
Filing date: 1978-12-13
Publication date: 1979-06-21
Also published as: JPS5483853A; US4425041A

Description

Ebenheits-Meßeinrichtung

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Messung der Ebenheit einer Fläche in der Weise, daß die Fläche mittels eines Abtaststrahls abgetastet und die Winkelablenkung des von der Fläche regulär bzw. gerichtet reflektierten Lichtstrahls ermittelt wird.

Es sind unterschiedliche Arten von Ebenheitsbzw. Flachheits-Meßgeräten bekannt und in Verwendung.

Von diesen sind die Interferometer, bei denen die Licht-Interferenzerscheinung genützt wird, und die auf der Messung der elektrostatischen Kapazität beruhenden Geräte am bekanntesten, bei welchen eine Änderung einer elektrostatischen Kapazität gemessen wird. Mit den Interferometern ist eine zweidimensionale Information über die Ebenheit erzielbar. Sie haben jedoch den Nachteil, daß zur Einstellung der zu messenden Fläche eine außerordentlich hohe Genauigkeit notwendig ist und daß ferner die Messung von Unebenheiten und die quantitative Messung sehr schwierig auszuführen sind. Während die

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Dresdner Bank (München) Kto. 3939844

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letztgenannten Ebenheits-Meßgeräte auch die Messung der Dicke der untersuchten Fläche zulassen, haben sie dahingehend einen Nachteil, daß die Einstellung der Kapazität jedesmal vorgenommen werden muß, wenn die Art des Materials des Prüflings verändert wird.

Zur Ausschaltung der vorstehend beschriebenen Nachteile wurde eine Ebenheits-Meßeinrichtung vorgeschlagen, bei der zur Ermittlung der Ebenheit oder

Flachheit einer Fläche die zu messende Fläche mittels eines Abtaststrahls abgetastet wird, der im wesentlichen senkrecht auf die Fläche auftrifft, und die
Winkelablenkung bzw. Winkelabweichung des von der
Fläche regulär bzw. gerichtet reflektierten Abtastlichtstrahls ermittelt wird. Ein Beispiel für eine
derartige Ebenheits-Meßeinrichtung ist in der
US-PS 3 885 875 beschrieben. Bei der dort beschriebenen Meßeinrichtung wird die Winkelablenkung, die eine
Information über die Neigung der Fläche in Abtastrichtung, d. h. über die Größe der ersten Ableitung der Flächenforra nach der Abtastzeit als entsprechende Lageabweichung ermittelt, die an einem photoelektrischen Lagedetektorelement festgestellt wird. Eine elektrische Integration der festgestellten Werte ergibt das Maß für die Ebenheit der untersuchten Fläche.

Die Ebenheits-Meßeinrichtung dieser Art hat jedoch folgenden Nachteil:

Wenn die zu messende Fläche eine Fläche ist, an

der wie im Falle einer aufgerauhten oder rauhen Fläche od. dgl. das Licht gleichförmig gestreut wird, wird aufgrund des Verlusts an Meßlicht die Meßeinrichtung unwirksam. Wie vorstehend angeführt ist, fällt bei der

bekannten Einrichtung ein Abtastlichtstrahl senkrecht

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auf die untersuchte Fläche. Falls die untersuchte Fläche eine rauhe Fläche mit Lichtstreuungs-Eigenschaften ist, ist daher die Menge des gerichtet bzw. regulär von der untersuchten Fläche zu einer Kollimatorlinse hin reflektierten Lichts zu einem derartigen Ausmaß verringert, daß keine Ebenheitsmessung möglich ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Ebenheits-Meßeinrichtung zu schaffen, bei der zur Ermittlung der Ebenheit einer Fläche die zu messende Fläche mittels eines Abtaststrahls abgetastet wird und die Winkelablenkung des von der Fläche gerichtet reflektierten Lichtstrahls erfaßt wird und die selbst dann ordnungsgemäß arbeitet, wenn die zu messende Fläche wie im Falle einer aufgerauhten Fläche eine Fläche mit Lichtstreuungseigenschaften ist.

Zur Lösung der Aufgabe ist erfindungsgemäß eine Ebenheits-Meßeinrichtung vorgesehen, die ein optisches System, das einen Abtaststrahl parallel zur Abtastrichtung und in einer zur Abtastrichtung senkrechten Ebene gesehen schräg auf eine zu messende Fläche projiziert, und ein optisches System aufweist, das die Winkelablenkung des von der Fläche gerichtet

■^ reflektierten Lichtstrahls in eine Lagenabweichungsgröße an einem photoelektrischen Lageerfassungs- oder Lagedetektorelement umsetzt.

Damit wird erfindungsgemäß das Problem des

Meßlichtverlustes wirkungsvoll dadurch gelöst, daß ein Abtastlichtstrahl in einer zur Abtastrichtung senkrechten Ebene schräg auf eine zu messende Fläche projiziert wird, um damit die Streulichtmenge zu verringern und stattdessen die gerichtet von der Fläche

reflektierte Lichtmenge zu steigern.

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Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel der Meßeinrichtung.

Fig. 2 ist eine erläuternde Darstellung

eines Abtaststrahls, der in einer die Abtastrichtung enthaltenden

Ebene schräg auf eine zu untersuchende Fläche auftrifft.

Fig. 3 zeigt den Zusammenhang zwischen auf die zu untersuchende Fläche

auftreffendem Licht und von der Fläche reflektiertem Licht.

Fig. 4 veranschaulicht das von der zu untersuchenden Fläche reflektierte

Lichtstrahlenbündel.

Fig. 5 ist eine erläuternde Darstellung

eines auf ein photoelektrisches Lagedetektorelement auftreffendem

Lichtstrahlenbündels.

Fig. 6 veranschaulicht die Art, wie die

Lageabweichung des Strahls an

^" dem photoelektrischen Lagedetektor

element erzielt wird.

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Die Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Ebenheits-Meßeinrichtung. In der Fig. 1 ist mit 1 ein Laser bezeichnet, während mit 2 ein Polarisations-Strahlenteiler bezeichnet.ist. P-polarisiertes Licht, das vollständig durch den Strahlenteiler 2 hindurchläuft, tritt in eine Viertelwellenlängen- bzw. -λ/4-Platte 3 ein und wird nach Durchlaufen der Platte 3 zu zirkular polarisiertem Licht. Das Licht fällt dann auf eine jeweilige Reflektionsflache eines Polygonspiegeis 4, der mittels eines Motors 5 mit einer bestimmten konstanten Drehzahl gedreht wird. Das von dem Polygonspiegel 4 reflektierte und von dem Reflektionspunkt weg divergierende Lichtstrahlenbündel tritt wieder in die Λ/4-Platte 3 ein und verläßt die Platte 3 zu dem Polarisations-Strahlenteiler 2 hin als S-polarisiertes Licht. Das S-polarisierte Licht wird mittels des Strahlenteilers 2 total reflektiert und trifft auf eine Kollimatorlinse 6, in deren Brennpunkt der Polygonspiegel 4 angeordnet ist. Ein aus der Kollimatorlinse 6 austretendes Lichtstrahlenbündel bildet ein paralleles Lichtstrahlenbündel für die Abtastung einer zu messenden Fläche 8 in geradliniger Richtung. Das Abtaststrahlenbündel trifft schräg in einer zur Abtastrichtung senkrechten Ebene auf die zu untersuchende Fläche 8.

Das wichtigste Merkmal der Meßeinrichtung liegt darin, das Lichtstrahlenbündel bzw. den Abtaststrahl 7 schräg auf die zu untersuchende Fläche 8 auftreffen zu lassen. Dies hat zur Wirkung, daß der Raumwinkel

on
^υ des an der Fläche gestreuten Lichts verringert wird und die von der Fläche regulär bzw. gerichtet reflektierte Lichtmenge gesteigert wird.

Wie aus der Darstellung in Fia. 2 ersichtlich

ist, ändert sich bei in einer die Abtastrichtung ent-

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haltenen Ebene schrägem Einfall des Abtaststrahls auf die zu untersuchende Fläche 8 die zum Ausführen der Abtastung notwendige Zeit in Abhängigkeit von dem Einfallwinkel (t < t_Q). Wenn im Gegensatz dazu der

Abtaststrahl in einer zur Abtastrichtung senkrechten Ebene schräg auf die zu untersuchend^ Fläche 8 auffällt, bleibt die Zeit selbst dann immer konstant, wenn sich der Einfallwinkel ändert.

Das von der zu untersuchenden Fläche 8 reflektierte Lichtstrahlenbündel 9 tritt in eine zweite Kollimatorlinse 10 ein, die das Strahlenbündel auf einer Lichtaufnahmefläche 12 eines photoelektrischen Lagedetektorelements fokussiert, die im Brennpunkt der zweiten Kollimatorlinse angeordnet ist. Die Stelle, an der das fokussierte Strahlenbündel 11 auf die Lichtaufnahmefläche trifft, entspricht der Neigung der zu untersuchenden Fläche in bezug auf den Abtaststrahl 7. Die Einfallstelle des Strahlenbündels 11 an dem photoelektrischen Lagedetektorelement ergibt daher ein Maß für die Ebenheit der untersuchten Objekt-Fläche. Bei der Meßeinrichtung wird dadurch, daß ein schräger Einfall des Abtaststrahls auf die untersuchte Fläche herbeigeführt wird, gemäß der nachstehenden Beschrei-

bung der Bereich erweitert, innerhalb dessen die Ebenheit gemessen werden kann.

Es wird ein Koordinatensystem aufgestellt, dessen X-Achse sich in der Abtastrichtung erstreckt, dessen Z-Achse sich in Richtung der optischen Achse bei senkrechtem Einfall erstreckt und dessen Y-Achse sich senkrecht zu den Achsen X und Z erstreckt; es sei angenommen, daß gemäß der Darstellung in Fig. 3 ein Lichtstrahl bzw. Lichtstrahlenbündel schräg unter einem Winkel θ in einer sich senkrecht zur X-Achse erstrecken-

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den Ebene auf die zu untersuchende Fläche 8 auftrifft. Wenn A ein zum Einfall entgegengesetzt gerichteter Einheitsvektor ist, N ein zur Fläche senkrechter Einheitsvektor ist und B ein Reflektions-Einheitwinkel ist, dann gilt:

A ( 0, -sin Θ, cos θ ) N ( η_χ, n_y, n_z )

^B '. V V ^bz >

Gemäß dem Reflektionsgesetz haben die Vektoren A, N und B den folgenden Zusammenhang:

• B = (2A · N) N - A

unter Verwendung dieser Gleichung ergibt sich:

b = -2n η sin θ + 2n η cos

χ χ y ' xz

b = -2n ² sin θ + 2n η cos θ + sinQ

y y y ζ

b = -2n η sin θ + 2n ² cos 9 - cos θ ζ γ ζ ζ

Der Einheitsvektor des zur Mitte der Lichtaufnahmefläche 12 des photoelektrischen Lagedetektorelements reflektierten Lichts, d. h. der Einheitsvektor B„ ist (bei einer zur Z-Achse senkrechten Ebene als untersuchte Fläche):

B₀ (O, sinö, cosö), 35

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da η = 0, η =0 und n_z = 1 sind.

Bei Fig- 4 sei angenommen, daß der Einheitsvektor der Abweichung von der Mitte der Lichtaufnahmefläche 12 des photoelektrischen Lagedetektors gleich

C (c , c , c ) ist und die Brennweite der fokussierenden

χ y ζ
Kollimatorlinse 10 gleich f ist. Damit gilt gemäß

Fig. 5:

B-B

B-fB

χ y

2n η cos9)

(2η -: ζ

-(2n ²-l)sin²6

c=

2 2

f(2n sine cos θ+2η η cose) x Υ_ζ

(2η ²-1)COS²G-(2η ²-l)sin²9 ζ y

2 2

f(-2n sin 9 cosG - 2η η sine) x Υ ζ

²-l)cos²e - (2η ²-l)sin²e ζ y

wenn mit D die Komponente in Abtastrichtung auf der Lichtaufnahmeflache 12 ist und ^_x die Komponente in der zur Abtastrichtung senkrechten Richtung ist, dann gilt nach Fig. 6:

D = C χ χ

= c sin9 - c cosfl

B-B_n = (2n ²-D cos²e - (2n

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Dies ergibt:

f(-2n η sinO) + 2n η cosf)) ^x (2n_z ²-l)cos²e - (2n ²-l)sin²G

^^ f(-2n "sinQ cos9 - 2n η )

^x (2n ²-l) cos²« - (2n ²-l)sin²9 ζ y

für eine zu messende Fläche mit η ΑύΟ und η gilt daher:

D ^2JTn cosö
χ χ

I 2

¹ DJ^ -2fn_v sir.ecosö.

Da 0<n <1 ist, ist DWO. Nützt man diesen

Λ. Λ

Umstand, so kann die Komponente D selbst mittels eines eindimensionalen Detektors oder Sensors erfaßt werden.

Die Komponente η der Neigung der untersuchten Fläche in der Abtastrichtung ist durch folgenden Ausruck gegeben:

χ 2fcos_

Durch Verwendung eines größeren Schrägeinfall-Winkels θ wird es möglich, eine Fläche mit einer größeren Komponente η , d. h. eine Fläche mit größerem Krümmungs-

wert zu messen. Ferner wird durch Verwendung des grös-^OJ seren Winkels θ der Raumwinkel des von der untersuchten

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Fläche reflektierten Lichts in einem derartigen Ausmaß verengt, daß die Genauigkeit der Messung mit der Meßeinrichtung unter Verwendung des reflektierten Lichts verbessert werden kann.

Gewöhnlich haben Mikroplättchen oder Substrat-Plättchen, und zwar insbesondere Substrat-Plättchen mit rauhem Oberflächenzustand vor ihrer Bearbeitung zu Spiegelflächen-Plättchen einen großen Krümmungswert. Bei der Messung der Ebenheit oder Flachheit einer derartigen rauhen Fläche ist es notwendig, einen großen Schrägeinfall-Winkel θ zu verwenden, um die Menge des von der Fläche reflektierten Lichts zu steigern. Die Meßeinrichtung ermöglicht die Messung der Ebenheit einer derartigen rauhen Fläche unter Anwendung eines berührungslosen Meßverfahrens und mit einer höheren Geschwindigkeit. Nach Wunsch kann eine zweidimensionale Information über die Ebenheit dadurch gewonnen werden, daß die zu untersuchende Fläche gedreht oder parallel verschoben wird, während der Einfallwinkel an der Fläche unverändert gehalten wird.

Mit der Erfindung ist eine Meßeinrichtung geschaffen, bei der zur Ermittlung der Ebenheit einer zu messenden Fläche die Fläche mittels eines Abtaststrahls oder Abtaststrahlenbündels abgetastet wird und die Winkelabweichung des von der Fläche regulär bzw. gerichtet reflektierten Abtastlichtstrahls erfaßt wird. Die Meßeinrichtung weist ein optisches System zum schrägen Projizieren des Abtaststrahls auf die die Fläche auf, um damit die Menge des von der Fläche gerichtet reflektierten Lichts zu steigern, so daß mit der Meßeinrichtung die Messung der Ebenheit selbst von derartigen Flächen vorgenommen werden kann, die

*" einen rauhen Flächenbereich oder einen lichtstreuenden Flächenbereich haben.

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Claims

T₁EDTKE - BüHLIMG - KlHNE

Grupe - Pellhanx

Dipl.-Ing. R Grupe 2853816 Dipl.-Ing. B.Pellmann

Bavariaring 4, Postfach 20240c 8000 München 2

Tel.: 0 89-539653 Telex: 5-24845 tipat cable: Germaniapatent Müncher 13. Dezember 1978

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Patentansprüche

' ij Ebenheits-Meßeinrichtung, bei der zur Ermittlung der Ebenheit einer zu messenden Fläche die Fläche mittels eines Abtastlichtstrahls abgetastet wird und

mittels eines photoelektrischen Lagedetektorelements
die Winkelablenkung des von der Flache gerichtet reflektierten Lichts ermittelt wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß zur Steigerung der von der Fläche gerichtet re-

flektierten Lichtmenge und zur Erweiterung des Ebenheits-Meßbereichs der Abtaststrahl (7) in einer zur
Äbtastrichtung senkrechten Ebene schräg auf die Fläche (8) fällt.
2. Ebenheits-Meßeinrichtung, bei der zur Ermittlung der Ebenheit einer zu messenden Fläche die Fläche eindimensional mittels eines Abtaststrahls abgetastet
wird und mittels eines photoelektrischen Lagedetektorelements die Winkelablenkung des von der Fläche ge-

richtet reflektierten Lichts erfaßt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Abtaststrahl (7) zu in einer
zur Abtastrichtung senkrechten Ebene schrägem Einfallen auf die Fläche (8) projiziert wird, um die von der Fläche gerichtet reflektierte Lichtmenge zu steigern, und daß zur Erzielung einer zweidimensionalen Information über

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ORIGINAL INSPECTED

die Ebenheit der Fläche die Fläche drehend oder unter Parallelverschiebung bewegt wird, während der Einfallwinkel (Θ) unverändert gehalten wird.

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